铌对310S奥氏体不锈钢焊接热影响区粗晶区组织和力学性能的影响

2020-05-09 19:14:14

对含有0%Nb0.66%Nb1.22%Nb2.00%Nb的四种310S奥氏体不锈钢试验母材首先进行合金铸造、锻造、热连轧、固溶处理,然后对母材和施加焊接热循环后的粗晶区试样进行力学性能测试,并解释力学性能变化机理。

实验材料与方法

对于含Nb310S奥氏体不锈钢,采用的热处理的方法将四种材料的晶粒尺寸归一化为30μm由于310S奥氏体不锈钢在焊接过程中对于高温比较敏感,在加热过程中焊接接头的热影响区粗晶区的晶粒比较容易受热输入所影响。因此在焊接时要严格控制热输入的能量,尽可能得选取比较小的焊接热输入量进行焊接。经过多次试焊,最终确立了合理的焊接参数。焊接工艺参数如表3.3所示。通过真空感应炉熔炼制备含Nb310S奥氏体不锈钢,主要化学成分(质量分数%)如表4.1所示。铸锭在1100℃保温两个小时后,采用自由锻成形,不同Nb含量的锻棒采用不同的固溶工艺,目的是为了获得相同的晶粒尺寸大小。便于评价Nb对焊接热循环后粗晶区组织晶粒度的影响。固溶之后,四种钢的晶粒尺寸都达到30±3μm。对于含Nb310S奥氏体不锈钢,采用热处理的方法将四种材料的晶粒尺寸归一化为30μm

由于示波曲线能够作为表征试样抵抗实际冲击能力的韧性依据,可以近似地表征金属抵抗已发生断裂的再扩展能力。影响310S钢热脆性的因素主要是裂纹起裂功和裂纹扩展功。起裂功主要反映了裂纹形成的难易和快慢,起裂功的大小的受材质的原子间结合力和材质的滑移系的多少。扩展功反映了具有裂纹的试样在冲击的作用下裂纹扩展的快慢,表征了阻止裂纹扩展的能力。扩展功越大,裂纹的扩展速度小,材料的韧性就越好。图4.14为随Nb含量变化的四种310S钢母材和粗晶区的载荷-位移示波曲线。从图中可以看出,四种钢的母材和粗晶区的冲击功起裂功大致相当,引起冲击功变化的主要是扩展功的大小。0Nb钢母材的扩展功较大,塑性变形能力最强,裂纹萌生后发生缓慢地扩展,直至断裂也不存在失稳,充分表明了材料的韧性极佳。0Nb钢粗晶区的扩展功相较其他含Nb310S奥氏体不锈钢,扩展功也较大,韧性优良。随着Nb含量的增加,扩展功逐渐下降。当Nb含量为2.00%时,塑性变形能力明显下降,表现出材料的半脆性。焊接热循环前后,0Nb钢由于奥氏体晶粒严重粗化,导致扩展功明显下降。而对于同种化学成分的含Nb钢母材和粗晶区的扩展功几乎一致。1.22Nb钢在经过焊接热循环后,析出相Z相发生溶解,导致母材和粗晶区冲击功有所差异,但差异比较小。0.66Nb钢和2.00Nb钢的扩展功几乎一致。

本章对四组不同Nb含量的310S奥氏体不锈钢的母材和焊接热影响区粗晶区的晶粒尺寸进行了对比分析。并对四组母材和粗晶区的组织和析出相也进行了对比分析。得出的主要结论如下所示。

1)四组310S奥氏体不锈钢经过固溶工艺处理,使得四组钢的母材晶粒尺寸统一为30μm。焊接热循环后,含Nb钢粗晶区的奥氏体晶粒尺寸越母材相当,而不含Nb0Nb钢粗晶区的晶粒尺寸明显长大。(2)随着Nb含量的增加,NbCN)相的数量和尺寸逐步增大,沿晶界分布的趋势更加明显。焊接热循环前后,1.22Nb钢中的Z相发生溶解现象,其他钢的析出相的种类并没有发生变化。(3)含Nb310S钢的抗拉强度比不含Nb310S奥氏体不锈钢100Mpa。随着Nb含量的增加,抗拉强度大致保持不变,说明NbCN)析出相对抗拉强度影响不明显。焊接热循环前后,同型号钢的母材和粗晶区的抗拉强度大致相同。无论是母材还是700℃,母材和粗晶区的断口都是韧性穿晶断裂。(4)随着Nb含量的增加,310S钢的冲击功不断下降,说明NbCN)析出相会对冲击韧性造成损害。焊接热循环前后,同型号钢的母材和粗晶区的冲击功大致相当,说明NbCN)相在抑制粗晶区奥氏体晶粒长大时,间接阻止了冲击功的降低。室温下,母材和粗晶区的冲击断口均为韧性穿晶断裂。

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